多模式电磁搅拌板坯连铸结晶器内电磁场与钢液流动数值模拟

摘要

多模式电磁搅拌(MM-EMS)是一种可以有效控制板坯连铸结晶器内钢液流动的技术手段，其目的是根据不同的浇铸条件，通过选择和调节施加于从浸入式水口(SEN)吐出的钢液流股上的水平电磁力的方向和大小，使结晶器内的钢液流动特别是弯月面附近的流动控制在一个最佳范围内，从而使铸坯表面和皮下夹杂物含量大大减少，改善操作工艺和提高铸坯质量。本文以板坯连铸结晶器为研究对象，对MM-EMS下结晶器内的电磁场和钢液流场特征进行了数值模拟研究。主要的研究内容和结果如下：
　　 首先，根据具体的连铸工艺，建立了描述板坯结晶器MM-EMS条件下的三维电磁场数学模型，并利用有限元分析软件ANSYS11.0进行了数值模拟，研究了结晶器内的电磁场分布特征，考察了励磁电流强度和频率对电磁场的影响规律。结果表明：电磁水平稳定器(EMLS)和电磁水平加速器(EMLA)下板坯结晶器横纵截面内的电磁场分布规律相似，磁感应强度和电磁力沿板坯宽度方向呈中心对称的抛物线分布，在拉坯方向上有“中间大，两头小”的分布规律，在板坯厚度方向上由边缘向中心对称衰减。电流强度由800A增至1000A时，EMLS条件下，磁感应强度由0.0956T增至0.1195T，电流强度每增加50A，磁感应强度相应增加约0.006T，电磁力由1520N/m3增至2370N/m3；EMLA条件下，磁感应强度由0.0975T增至0.1219T，电流强度每增加50A，磁感应强度相应增加约0.0061T，电磁力由1560N/m3增至2440N/m3。频率由2Hz增至14Hz时，EMLS和EMLA条件下磁感应强度均随频率的增加而减小，且呈近似线性递减关系；电磁力则随频率的增加先增大后减小，在9.0Hz时达到最大值，EMLS条件下电磁力由频率2Hz时的1350N/m3增至9Hz时的3340N/m3，EMLA条件下电磁力则由1980N/m3增至5010N/m3。
　　 在电磁场求解的基础上，结合电磁场与流场耦合理论，建立了描述板坯结晶器多模式电磁搅拌过程钢液流动的三维有限体积数学模型，利用CFX软件结合自编程序进行了数值模拟，研究了板坯结晶器多模式电磁搅拌条件下的钢液流场分布特征，分析了励磁电流强度和频率及拉速对钢液流场的影响。模拟结果表明：EMLS能有效减小从SEN吐出的钢液主流股动量，降低弯月面附近的钢液流速，从而减少保护渣的卷吸，同时使钢液流股的冲击深度变浅，有利于夹杂物的上浮去除；EMLA能使从SEN吐出的钢液主流股被加速，沿窄面向上回流的钢液流速增大，过热钢液向弯月面补充热量增多，保护渣熔融充分，提高了保护渣吸收夹杂物的能力。电流强度由800A增至1000A时，EMLS条件下，自由液面最大流速由没加磁场时的0.515m/s分别降至0.155m/s和0.12m/s；EMLA条件下，最大速度由没加磁场时的0.274m/s分别增至0.376m/s和0.46m/s。频率由2Hz增至6Hz时，EMLS条件下，自由液面最大流速由0.177m/s降为0.101m/s；EMLA条件下，自由液面最大流速由0.376m/s增至0.483m/s。EMLS可以有效抑制高拉速下结晶器内钢液的剧烈运动，改善钢液流动状态；在0.7m/min的极低拉速下，EMLA对于提高自由液面速度也是非常有效的。
　　 利用本文提出的数学模型及模拟结果可以分析具体工况和具体操作参数下结晶器内的钢液流场，对选择合理的电磁搅拌参数和指导连铸工艺实际生产提供了理论依据。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 电磁流体力学在冶金中的应用

1.1.1 电磁流体力学应用的发展

1.1.2 电磁流体力学的功能体系

1.1.3 冶金过程中的电磁技术

1.2 板坯连铸结晶器电磁流动控制技术

1.2.1 板坯连铸结晶器钢液流动控制的重要性

1.2.2 结晶器内钢液电磁流动控制技术的主要方式

1.3 板坯连铸结晶器多模式电磁搅拌技术的研究概况

1.3.1 国外研究概况

1.3.2 国内研究概况

1.4 选题依据和主要研究内容

1.4.1 选题依据

1.4.2 主要研究内容

1.5 本章小结

第二章 MM-EMS电磁控流过程磁场与流场数学模型描述

2.1 电磁场数学模型

2.1.1 电磁场分析的理论基础

2.1.2 电磁场数学模型

2.1.3 有限元模型的建立

2.2 流场数学模型

2.2.1 电磁场与钢液流动耦合理论

2.2.2 流场数学模型

2.2.3 有限元模型的建立

2.3 电磁场与流场的耦合求解

2.4 本章小结

第三章 EMLS/EMLA下板坯结晶器内三维电磁场数值模拟

3.1 EMLS下电磁场分析

3.1.1 EMLS下结晶器内电磁场分布规律

3.1.2 励磁电流强度对电磁场的影响

3.1.3 励磁电流频率对电磁场的影响

3.2 EMLA下电磁场分析

3.2.1 EMLA作用下结晶器内电磁场分布规律

3.2.2 励磁电流强度对电磁场的影响

3.2.3 励磁电流频率对电磁场的影响

3.3 本章小结

第四章 EMLS/EMLA下板坯结晶器内钢液流动数值模拟

4.1 EMLS下电磁场与流场耦合分析

4.1.1 流场分布规律

4.1.2 励磁电流强度对钢液流动的影响

4.1.3 励磁电流频率对钢液流动的影响

4.1.4 拉速对钢液流动的影响

4.2 EMLA下电磁场与流场耦合分析

4.2.1 流场分布规律

4.2.2 励磁电流强度对钢液流动的影响

4.2.3 励磁电流频率对钢液流动的影响

4.2.4 拉速对钢液流动的影响

4.3 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文

论文包含图、表、公式及文献